可控硅整流装置.ppt

1、可控硅整流装置可控硅整流装置 1 1 概述概述 可控硅整流装置是现代励磁系统中较为重要的一个环节，虽然可控硅整流装置是现代励磁系统中较为重要的一个环节，虽然 其原理并不深奥，但其在励磁系统中占重要的比例，对电厂运行维其原理并不深奥，但其在励磁系统中占重要的比例，对电厂运行维 护显得特别重要，弄清其工作原理和常见故障现象，对于提高维护护显得特别重要，弄清其工作原理和常见故障现象，对于提高维护 水平，提高励磁系统的投入率具有重要意义。水平，提高励磁系统的投入率具有重要意义。 2 可控硅的主要参数可控硅的主要参数 可控硅又称晶闸管，是可控硅整流电路的关键可控硅又称晶闸管，是可控硅整流电路的关键 器件

2、，所以在讲述可控硅整流电路的原理前，了器件，所以在讲述可控硅整流电路的原理前，了 解一下可控硅的主要参数是非常必要的。解一下可控硅的主要参数是非常必要的。 可控硅的参数较多，包括各种状态下的电压可控硅的参数较多，包括各种状态下的电压 、电流、门极参数及动态参数。为了正确使用可、电流、门极参数及动态参数。为了正确使用可 控硅，不仅要了解它的伏安特性，而更重要的是控硅，不仅要了解它的伏安特性，而更重要的是 定量掌握它的主要参数。定量掌握它的主要参数。 为了正常使用可控硅，必须清楚它能承受多大的正为了正常使用可控硅，必须清楚它能承受多大的正 向电压而不转折（没有触发脉冲，不自行导通）向电压而不转折（

3、没有触发脉冲，不自行导通）, ,承受多承受多 大的反向电压而不击穿；在可控硅导通以后能允许通过多大的反向电压而不击穿；在可控硅导通以后能允许通过多 大的电流而不致烧毁；另外还要注意该管的触发电压和触大的电流而不致烧毁；另外还要注意该管的触发电压和触 发电流是多大；导通后的管压降是多少；维持电流和掣住发电流是多大；导通后的管压降是多少；维持电流和掣住 电流是多大等等。以上这些参数是选择可控硅是必须考虑电流是多大等等。以上这些参数是选择可控硅是必须考虑 的问题。的问题。 1) 1) 可控硅的电压定额可控硅的电压定额 (a) (a) 断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压u udsm dsm u ud

4、sm dsm是指在门极开路时，当加在可控硅上的正向阳极电 是指在门极开路时，当加在可控硅上的正向阳极电 压上升到使可控硅的正向伏安特性急剧弯曲时所对应的电压上升到使可控硅的正向伏安特性急剧弯曲时所对应的电 压值（见图压值（见图1 1）。断态不重复峰值电压）。断态不重复峰值电压u udsm dsm应低于正向转折 应低于正向转折 电压电压u upbo pbo, ,所留余量的大小由生产厂规定。 所留余量的大小由生产厂规定。 (b) (b) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压u udrm drm udrm是指当可控硅的门极开路且结温为额定值时，允是指当可控硅的门极开路且结温为额定值时，允 许重复加在可控

5、硅上的正向峰值电压，如图许重复加在可控硅上的正向峰值电压，如图1所示。规定断所示。规定断 态重复峰值电压态重复峰值电压udrm为断态不重复峰值电压为断态不重复峰值电压udsm的的80。 可可控硅在整流电路中工作时，由于开关接通或断开时的控硅在整流电路中工作时，由于开关接通或断开时的 过渡过程，会有瞬间的超过正常工作值的正、反向电压加过渡过程，会有瞬间的超过正常工作值的正、反向电压加 到可控硅上，称为到可控硅上，称为“操作过电压操作过电压”。可控硅必须能够重复。可控硅必须能够重复 地经受一定限度的操作过电压，而不影响其正常工作。地经受一定限度的操作过电压，而不影响其正常工作。 需要说明的是，可控

6、硅正向工作时有两种工作状态：需要说明的是，可控硅正向工作时有两种工作状态： 即阻断状态（简称断态）和导通状态（简称通态）。说即阻断状态（简称断态）和导通状态（简称通态）。说“ 断态断态”或或“通态通态”时，一定是正向的（即在可控硅时，一定是正向的（即在可控硅a a、k k之之 间加正向电压），因此间加正向电压），因此“正向正向”两字可以省去。两字可以省去。 (c) (c) 反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压u ursm rsm u ursm rsm是指在门极开路时，当加在可控硅上的反向阳极 是指在门极开路时，当加在可控硅上的反向阳极 电压上升到使可控硅的反向伏安特性急剧弯曲时所对应的电压上升

7、到使可控硅的反向伏安特性急剧弯曲时所对应的 电压值（图电压值（图1 1）。）。 图图1 1 晶闸管的几个电压参数在伏安特性上的位置晶闸管的几个电压参数在伏安特性上的位置 udrm udsm upbo uax ia 0 ursm urrm (d) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压urrm urrm是指当门极开路且结温为额定值时，允许重复加是指当门极开路且结温为额定值时，允许重复加 在可控硅上的反向峰值电压（见图在可控硅上的反向峰值电压（见图1）。规定反向重复峰值）。规定反向重复峰值 电压电压urrm为反向不重复峰值电压为反向不重复峰值电压ursm的的80。通常，可控。通常，可控 硅若受到反向电压

8、作用，则它必定是阻断的，因此参数名硅若受到反向电压作用，则它必定是阻断的，因此参数名 称可省去称可省去“阻断阻断”二字。二字。 (e)额定电压额定电压un 将将udrm和和urrm中较小的那个数值取整后作为该可控硅中较小的那个数值取整后作为该可控硅 型号上的额定电压型号上的额定电压un。在选用可控硅时，额定电压。在选用可控硅时，额定电压un应是应是 正常工作电压的二到三倍，以此作为允许的操作过电压余正常工作电压的二到三倍，以此作为允许的操作过电压余 量。量。 (f) 通态平均电压通态平均电压vt 通态平均电压通态平均电压vt,是指在可控硅中流过正弦半波额定通是指在可控硅中流过正弦半波额定通 态

9、平均电流和额定结温时，可控硅的阳极和阴极间电压降态平均电流和额定结温时，可控硅的阳极和阴极间电压降 的平均值，俗称管压降。通态平均电压的平均值，俗称管压降。通态平均电压vt按规定分为九组按规定分为九组 ，每组差，每组差0.1v，最低值为，最低值为0.4v，最高值为，最高值为1.2v。 2) 可控硅的电流定额可控硅的电流定额 (a) 通态平均电流通态平均电流it(av) it(av)是指在环境温度为是指在环境温度为+40和规定冷却条件下，在带和规定冷却条件下，在带 电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导 通角不小于通角不小于170 ）

10、而稳定结温不超过额定值时所允许的最 ）而稳定结温不超过额定值时所允许的最 大平均电流。按照标准，取其整数作为该可控硅的额定电大平均电流。按照标准，取其整数作为该可控硅的额定电 流。流。 造成可控硅发热的原因是损耗，它由四部分组成造成可控硅发热的原因是损耗，它由四部分组成 。一是通态时的损耗，这是可控硅发热的最主要原。一是通态时的损耗，这是可控硅发热的最主要原 因，为了减小不必要的发热，总是希望可控硅在导因，为了减小不必要的发热，总是希望可控硅在导 通时的通态电压越小越好；二是断态和反向时损耗通时的通态电压越小越好；二是断态和反向时损耗 ，一般希望断态重复平均电流，一般希望断态重复平均电流idr

11、(av)和反向重复平均和反向重复平均 电流电流irr(av)尽可能小些；三是开关时的损耗，当频率尽可能小些；三是开关时的损耗，当频率 增高时开关损耗增大；最后是门极的损耗，通常该增高时开关损耗增大；最后是门极的损耗，通常该 项损耗较小。项损耗较小。 影响可控硅散热的条件包括：影响可控硅散热的条件包括： 可控硅与散热器的接触情况和散热器的热阻；可控硅与散热器的接触情况和散热器的热阻； 冷却方式（自冷、风冷、水冷或油冷等）和冷冷却方式（自冷、风冷、水冷或油冷等）和冷 却介质的流速；却介质的流速； 环境温度和冷却介质的温度。环境温度和冷却介质的温度。 众所周知，决定发热的因素是电流的有效值，但可控众

12、所周知，决定发热的因素是电流的有效值，但可控 硅整流电路输出端负载常用所需的平均电流来衡量整流电硅整流电路输出端负载常用所需的平均电流来衡量整流电 路的容量，可控硅的额定电流也是按电阻性负载单相工频路的容量，可控硅的额定电流也是按电阻性负载单相工频 正弦半波电路中，管子全导通，而稳定结温不超过额定值正弦半波电路中，管子全导通，而稳定结温不超过额定值 时所允许的最大平均电流来定义的。因此，不同的整流方时所允许的最大平均电流来定义的。因此，不同的整流方 式的整流桥，带不同类型的负载，具有不同的导通角时，式的整流桥，带不同类型的负载，具有不同的导通角时， 流过可控硅的电流波形也不一样，造成电流平均值

13、和有效流过可控硅的电流波形也不一样，造成电流平均值和有效 值的关系也各不相同，从而使实际允许的平均电流与额定值的关系也各不相同，从而使实际允许的平均电流与额定 电流是有差别的。为了求出发热的结果，应将实际电流波电流是有差别的。为了求出发热的结果，应将实际电流波 形的有效值等于可控硅额定电流形的有效值等于可控硅额定电流it(av)所对应有效值，这样所对应有效值，这样 管芯的发热才是等效的和允许的。管芯的发热才是等效的和允许的。 还应指出，因可控硅的过载能力比一般电磁还应指出，因可控硅的过载能力比一般电磁 元件小，为使可控硅有一定的安全裕量，应使选元件小，为使可控硅有一定的安全裕量，应使选 用可控

14、硅的通态平均电流为其实际正常工作时平用可控硅的通态平均电流为其实际正常工作时平 均电流的均电流的1.5-2倍左右。倍左右。 (b) 维持电流维持电流ih ih是指可控硅导通后，由较大的通态电流降至刚能保持元是指可控硅导通后，由较大的通态电流降至刚能保持元 件通态所必须的最小通态电流。当电流小于件通态所必须的最小通态电流。当电流小于ih时，可控硅时，可控硅 即从通态转化为关断状态。即从通态转化为关断状态。 (c) 掣住电流掣住电流il il是指可控硅刚从断态转入通态并移去触发信号后，能是指可控硅刚从断态转入通态并移去触发信号后，能 维持通态所需的最小主电流维持通态所需的最小主电流 。掣住电流。掣

15、住电流il的数值与工作条的数值与工作条 件有关，通常件有关，通常il约为约为ih的的2-4倍。倍。 (d) 断态重复峰值电流断态重复峰值电流idrm和反向重复峰值电流和反向重复峰值电流irrm。 idrm和和 irrm分别为该管承受断态重复峰值电压分别为该管承受断态重复峰值电压udrm和反和反 向重复峰值电压向重复峰值电压urrm时的峰值电流。时的峰值电流。 (e) 浪涌电流浪涌电流itsm itsm是指在规定条件下，可控硅通以额定通态平均电流是指在规定条件下，可控硅通以额定通态平均电流 稳定后，在工频正弦半周期间元件能承受的最大过载电流稳定后，在工频正弦半周期间元件能承受的最大过载电流 。同

16、时，紧接浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压。同时，紧接浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压 。浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值，在元件寿命。浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值，在元件寿命 期限内，浪涌次数有一定限制。为了防止元件损坏，电路期限内，浪涌次数有一定限制。为了防止元件损坏，电路 中各种过电流都应限制在此值以内。中各种过电流都应限制在此值以内。 3) 可控硅的门极参数可控硅的门极参数 (a) 门极触发电流门极触发电流igt igt是指在室温时，主电压（阳极是指在室温时，主电压（阳极a与阴极与阴极k间电压）为间电压）为 直流直流6v时，使可控硅由断态转入通态所必须的最小门极直

17、时，使可控硅由断态转入通态所必须的最小门极直 流电流。流电流。 (b) 门极触发电压门极触发电压ugt ugt是指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。是指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。 4) 可控硅的动态参数可控硅的动态参数 所谓动态参数是指可控硅处在状态变换过程所谓动态参数是指可控硅处在状态变换过程 中的参数。下面主要介绍中的参数。下面主要介绍du/dt 、di/dt、tgt 和和tq这这 四个参数。四个参数。 (a) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt du/dt是指在额定结温和门极断路时，可控硅保持断态所是指在额定结温和门极断路时，可控硅保持断态所 能承受的最大主电

18、压上升率。使用时实际电压上升率必须能承受的最大主电压上升率。使用时实际电压上升率必须 小于此值。小于此值。 (b) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt di/dt 是指在规定条件下，可控硅在导通过程中，能承受是指在规定条件下，可控硅在导通过程中，能承受 而不会导致损坏的最大通态电流上升率。而不会导致损坏的最大通态电流上升率。 (c) 门极控制开通时间门极控制开通时间tgt tgt是指门极触发脉冲前沿的是指门极触发脉冲前沿的10到阳极电压下降到到阳极电压下降到10 的时间间隔，如图的时间间隔，如图2所示。它包括延迟时间所示。它包括延迟时间td和上升时间和上升时间tr 两部分，两部分，

19、td为从门极脉冲前沿的为从门极脉冲前沿的10（0.1ug）到阳极电压）到阳极电压 从从ua降至降至0.9ua（阳极电流上升到（阳极电流上升到0.1ia）时所对应的时间。）时所对应的时间。 tr为阳极电压从为阳极电压从0.9ua下降至下降至0.1ua（阳极电流从（阳极电流从0.1ia上升到上升到 0.9ia）时所对应的时间。因此元件的开通时间就是载流子）时所对应的时间。因此元件的开通时间就是载流子 的积累和电流上升所需要的时间之和。即的积累和电流上升所需要的时间之和。即 uakia ua ia 0 0.9 trtd tgt t it 0 t3t2t4t5 tt1 ug ug 0.1 0 t 20

20、us t tq 图图2 图图2 门极控制开通时间门极控制开通时间tgt 图图3 可控硅换相关断时间可控硅换相关断时间tq 普通可控硅的开通时间约为几至几十微妙。为了减小普通可控硅的开通时间约为几至几十微妙。为了减小 开通时间和保证可控硅触发导通时刻的正确，可采用实际开通时间和保证可控硅触发导通时刻的正确，可采用实际 触发电流比规定触发电流大触发电流比规定触发电流大3-5倍，且前沿陡峭的强触发方倍，且前沿陡峭的强触发方 式。式。 (d) 电路换向关断时间电路换向关断时间tq tq是指可控硅从通态电流降至零起，到该管能再一次承是指可控硅从通态电流降至零起，到该管能再一次承 受规定的正向断态电压的时

21、间。实际上它包括反向恢复时受规定的正向断态电压的时间。实际上它包括反向恢复时 间和门极恢复时间两部分，如图间和门极恢复时间两部分，如图3所示。所示。 5) 额定结温额定结温tjm tjm是可控硅正常工作时所允许的最高结温，在此温度是可控硅正常工作时所允许的最高结温，在此温度 下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。 以上是可控硅的主要参数，由于半导体器件制造过程以上是可控硅的主要参数，由于半导体器件制造过程 中的离散性，同一批产品中性能差别可能很大。为此可控中的离散性，同一批产品中性能差别可能很大。为此可控 硅出厂时要逐个测定其参数。硅出厂时要逐个测定其

22、参数。 归纳起来，在使用可控硅时，应注意以下四点：归纳起来，在使用可控硅时，应注意以下四点： (a) 关于额定电压，可控硅实际工作时承受的正常工作电压应关于额定电压，可控硅实际工作时承受的正常工作电压应 低于正、反向重复峰值电压低于正、反向重复峰值电压udrm和和urrm,，并留有，并留有2-3倍的倍的 操作过电压余量以及采用可靠的过电压保护措施。操作过电压余量以及采用可靠的过电压保护措施。 (b) 关于额定电流，应根据实际电流的波形进行相应的换算，关于额定电流，应根据实际电流的波形进行相应的换算， 可控硅实际通过的最大平均电流应低于额定通态平均电流可控硅实际通过的最大平均电流应低于额定通态平

23、均电流 it(av),并留有两倍左右的余量以及采用过电流保护措施。并留有两倍左右的余量以及采用过电流保护措施。 (c)关于门极触发电压和电流，实际触发电压和电流应大于实测关于门极触发电压和电流，实际触发电压和电流应大于实测 的参数的参数ugt和和igt, ，以保证可靠触发，但也不能超过允许的极，以保证可靠触发，但也不能超过允许的极 限值限值ugfm和和igfm。 （d）关于）关于du/dt和和di/dt，在实际电路中，应采取措施限制，在实际电路中，应采取措施限制du/dt 和和di/dt，使其不超过规定的临界值。当超过，使其不超过规定的临界值。当超过du/dt的临界值会的临界值会 造成误导通，

24、当超过造成误导通，当超过di/dt的临界值时会造成可控硅损坏。的临界值时会造成可控硅损坏。 3 整流电路的原理整流电路的原理 利用电力半导体器件可以进行电能的变换，其中整流电利用电力半导体器件可以进行电能的变换，其中整流电 路可将交流电转变成直流电供给直流负载，逆变电路又可路可将交流电转变成直流电供给直流负载，逆变电路又可 将直流电转换成交流电供给交流负载。某些可控硅装置即将直流电转换成交流电供给交流负载。某些可控硅装置即 可工作于整流状态，也可工作于逆变状态，可称作变流或可工作于整流状态，也可工作于逆变状态，可称作变流或 换流装置。同步发电机的半导体励磁是半导体变流技术在换流装置。同步发电机

25、的半导体励磁是半导体变流技术在 电力工业方面的一项重要应用。电力工业方面的一项重要应用。 将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直 流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁 需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任 务。对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电务。对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电 路，除了将交流变换成直流的正常任务之外，在需要迅速减路，除了将交流变换成直流的正常任务之外，在

26、需要迅速减 磁时还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈磁时还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈 给交流电源，进行逆变灭磁。给交流电源，进行逆变灭磁。 三相全波全控整流电路三相全波全控整流电路 在三相全波整流接线中，六个桥臂元件全都采用可控硅管，如在三相全波整流接线中，六个桥臂元件全都采用可控硅管，如 图图13（a）所示。可控硅元件都要靠触发换流，并且一般要求触发脉）所示。可控硅元件都要靠触发换流，并且一般要求触发脉 冲的宽度应大于冲的宽度应大于600，但小于，但小于1200，一般取，一般取800-1000，即所谓，即所谓“宽脉冲宽脉冲 触发触发”。这样才能保证整流电路刚投

27、入之际，例如共阴极组的某一元。这样才能保证整流电路刚投入之际，例如共阴极组的某一元 件被触发时，共阳极组的前一元件的触发信号依然存在，共阴极组与件被触发时，共阳极组的前一元件的触发信号依然存在，共阴极组与 共阳极组各有一元件同时处在被触发状态，才能构成电流的通路。共阳极组各有一元件同时处在被触发状态，才能构成电流的通路。 投入时一经触发通流，以后各元件则可依次触发换流。另外也投入时一经触发通流，以后各元件则可依次触发换流。另外也 可以采用可以采用“双脉冲触发双脉冲触发”的方式，即本元件被触发的同时，还送一的方式，即本元件被触发的同时，还送一 触发脉冲给前一元件，以便整流桥刚投入时构成电流的最初

28、的通触发脉冲给前一元件，以便整流桥刚投入时构成电流的最初的通 路，其后整流电路便进入正常工作状态。路，其后整流电路便进入正常工作状态。 双脉冲触发电路较复杂些，但它可以减小触发装置的输出功双脉冲触发电路较复杂些，但它可以减小触发装置的输出功 率，减小脉冲变压器的铁芯体积。率，减小脉冲变压器的铁芯体积。 6 1 ug1 ud 0 1 6 331 224 55 46 0 ug ug6ug2ug4ug6 0 ug1 ug ug5ug3 (c) 0 0 t 531 (b) 2 tt4 6 t tt t t ud 触发换流 scr ug2 (a) ud scr scr1 b 2 4 c 6 b a 35

29、 r id uaubuc (d) t t t 图图13 三相全波全控整流（三相全波全控整流（=0时）时） (a)电路图；电路图；(b)相电压波形；相电压波形；(c)触发脉冲；触发脉冲；(d)直流侧电压波形直流侧电压波形 1) 整流工作状态整流工作状态 先讨论控制角先讨论控制角=00的情况。参看图的情况。参看图13，在，在t0-t1期间，期间，a 相的电位最高，相的电位最高，b相的电位最低，有可能构成通路。若在相的电位最低，有可能构成通路。若在t0 以前共阳极组的以前共阳极组的scr6的触发脉冲的触发脉冲ug6 还存在，在还存在，在t0（=00） 时给共阴极的时给共阴极的scr1以触发脉冲以触发

30、脉冲ug1，则可，则可由由scr1与与 scr6构成构成 通路：交流电源的通路：交流电源的a相相scr1rscr6回到电源回到电源b相。在相。在 负载电阻负载电阻r上得到线电压上得到线电压uab.此后只要按顺序给各桥臂元件以此后只要按顺序给各桥臂元件以 触发脉冲，就可依次换流。触发脉冲，就可依次换流。 南京南瑞集团公司南京南瑞集团公司 国电自动化研究院国电自动化研究院 例如在例如在t1-t2期间，期间，c相电位最低，在相电位最低，在t1时间向时间向scr2输输 入触发脉冲入触发脉冲ug2,共阳极组的共阳极组的scr2即导通，同组的即导通，同组的scr6因承受因承受 反向电压而截止。电流的通路换

31、成：反向电压而截止。电流的通路换成：ascr1rscr2c 。负载电阻。负载电阻r上得到线电压上得到线电压uac. 其余类推，每隔其余类推，每隔600依次向共阴依次向共阴 极组或共阳极组的可控硅元件以触发脉冲，则每隔极组或共阳极组的可控硅元件以触发脉冲，则每隔600有一个有一个 臂的元件触发换流，每周期内每臂元件导电臂的元件触发换流，每周期内每臂元件导电1200。 控制角控制角=00时负载电阻时负载电阻r上得到的电压波形上得到的电压波形ud 如图如图13(d)所示，所示， 它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同。这时三相桥式全控它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同。这时三相桥式全控 整流

32、电路输出电压的平均值最大，为整流电路输出电压的平均值最大，为udo 。 图图14是是=300时三相全控桥的电压波形。图时三相全控桥的电压波形。图15是是=600时的电压时的电压 波形。两图的图（波形。两图的图（a）交流相电势画阴影线的部分表示导通面积，如）交流相电势画阴影线的部分表示导通面积，如 把底线拉平，就成为图（把底线拉平，就成为图（b）所示的输出电压）所示的输出电压ud的波形，它是由线电的波形，它是由线电 压波形的相应各部分组成的。压波形的相应各部分组成的。 控制角控制角=00时负载电阻时负载电阻r上得到的电压波形上得到的电压波形ud 如图如图13(d) 所示，它与三相桥式不可控整流电

33、路的输出波形相同。这时所示，它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同。这时 三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大，为三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大，为udo 。 图图14是是=300时三相全控桥的电压波形。图时三相全控桥的电压波形。图15是是=600时时 的电压波形。两图的图（的电压波形。两图的图（a）交流相电势画阴影线的部分表示）交流相电势画阴影线的部分表示 导通面积，如把底线拉平，就成为图（导通面积，如把底线拉平，就成为图（b）所示的输出电压）所示的输出电压ud 的波形，它是由线电压波形的相应各部分组成的。的波形，它是由线电压波形的相应各部分组成的。 在控制角在控制角600的

34、情况下，共阴极组输出的阴极电位在每的情况下，共阴极组输出的阴极电位在每 一瞬间都高于共阳极组的阳极电位，故输出电压一瞬间都高于共阳极组的阳极电位，故输出电压ud的瞬时值的瞬时值 都大于零，波形是连续的。都大于零，波形是连续的。 然而当然而当600后，输出电压后，输出电压ud的瞬时值将出现负的部分的瞬时值将出现负的部分 ，如图，如图16中的（中的（c）和（）和（d）。这主要是由于电感性负载产生）。这主要是由于电感性负载产生 的反电势，维持负载电流连续流通而产生的。设在的反电势，维持负载电流连续流通而产生的。设在600 900的的t1时刻，给时刻，给a相的相的scr1以触发电压。参看图以触发电压。

35、参看图16（b），）， 这时这时a相电位最高，相电位最高，scr1导通；导通；c相电位虽然最低，但相电位虽然最低，但scr2尚尚 未被触发而不会导通，由未被触发而不会导通，由b相的相的scr6继续保持导通状态。即由继续保持导通状态。即由 scr1与与scr6构成通路，输出电压构成通路，输出电压为为uab.到到t2时刻时刻uab=0，输出，输出 负载电流负载电流id有减小的趋势。负载电感有减小的趋势。负载电感l中便产生感应电势中便产生感应电势 l 企图阻止企图阻止id的减小，其方向与的减小，其方向与id的流向一致，即整流桥输出的的流向一致，即整流桥输出的 下端下端n点为正，上端点为正，上端m点为

36、负，维持点为负，维持id的继续流通。的继续流通。 在在t2以后，虽然以后，虽然b相电位高于相电位高于a相电位，即相电位，即ab0，但电，但电 感感l上的感应电势上的感应电势 l的绝对值高于 的绝对值高于uab的绝对值，实际加在的绝对值，实际加在 scr1与与scr6元件上的阳极电压仍然为正，维持原来电流元件上的阳极电压仍然为正，维持原来电流jd的的 通路。故在通路。故在t2 t2这段时间内，输出电压 这段时间内，输出电压ud呈现负值。到呈现负值。到 t2时刻，时刻，scr2接受触发脉冲，此时接受触发脉冲，此时c相电位最低，故相电位最低，故scr2导导 通并将通并将scr6关断，电流从关断，电流

37、从scr6换流到换流到scr2。scr1此时仍继此时仍继 续导通，续导通，b相电位此时虽高于相电位此时虽高于a,但因但因b相的相的scr3尚未加触发脉尚未加触发脉 冲而不会导通。电流在冲而不会导通。电流在scr1与与scr2构成的回路中流通，使输构成的回路中流通，使输 出电压出电压ud=uac0。到。到t3以后，以后，uac0，又由电感电势维持电，又由电感电势维持电 流流id，使输出电压，使输出电压ud又呈现负的部分，直到触发换流后，又呈现负的部分，直到触发换流后，ud才才 又为正。又为正。 图14 =300时的电压波形 (a) 相电压波形；(b) 直流侧电压波形 图15 =600时的电压波形

38、 (a) 相电压波形；(b) 直流侧电压波形 图16 600900时的电压波形 (电路图；(b) 相电压波形；(c)当600900 时的电压波形；(d)当900时的输出电压波形 这样，输出电压这样，输出电压ud将按图将按图16（c）中线电压的波形（画有）中线电压的波形（画有 阴影线的部分）交替出现正负部分。正的部分表示交流线电阴影线的部分）交替出现正负部分。正的部分表示交流线电 压产生负载电流压产生负载电流id，交流电源向负载供电；负的部分表示电感，交流电源向负载供电；负的部分表示电感 性负载中的感应电势性负载中的感应电势 l维持负载电流 维持负载电流id的流通，将原电感的流通，将原电感 中贮

39、存的能量释放一部分。中贮存的能量释放一部分。 输出电压输出电压ud在一周内出现正负波形，其平均值在一周内出现正负波形，其平均值ud将减小将减小 。随着控制。随着控制的增大，正值部分的面积渐减，负值部分的面积的增大，正值部分的面积渐减，负值部分的面积 渐增，渐增，ud平均值愈来愈小。平均值愈来愈小。=90时，如图时，如图16（d），），ud波形波形 正负两部分面积相等，输出平均电压正负两部分面积相等，输出平均电压ud=0。 三相全控桥式整流电路输出电压三相全控桥式整流电路输出电压ud的波形在一个周期内的波形在一个周期内 为匀称的六段，即输出电压为匀称的六段，即输出电压ud的周期是阳极电压周期的六

40、分的周期是阳极电压周期的六分 之一，故计算其平均电压之一，故计算其平均电压ud，只须求交电流电压，只须求交电流电压u1cost在（在（- ）至（）至（ ）的平均值即可：）的平均值即可： 6 6 ttduu d cos2 6 2 1 1 6 6 cos 6 sin22 3 1 u cos35.1 1 u (5) 在在90时，输出平均电压时，输出平均电压ud为正值，三相全控桥工作为正值，三相全控桥工作 在整流状态，将交流转变为直流。在整流状态，将交流转变为直流。 2) 逆变工作状态逆变工作状态 在在90时，输出平均电压时，输出平均电压ud则为负值，三相全控桥工则为负值，三相全控桥工 作在逆变状态，

41、将直流转变为交流。在半导体励磁装置中，作在逆变状态，将直流转变为交流。在半导体励磁装置中， 如采用三相全波全控整流电路，当发电机内部发生故障时能如采用三相全波全控整流电路，当发电机内部发生故障时能 进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈 给交流电源去，以减轻发电机损坏的程度。此外，在调节励给交流电源去，以减轻发电机损坏的程度。此外，在调节励 磁过程中，如使磁过程中，如使90，则加到发电机转子的励磁电压变负，则加到发电机转子的励磁电压变负 ，能迅速进行减磁。，能迅速进行减磁。 图图17与图与图18分别代表分别代表=120与与=15

42、0、=180时逆变时逆变 输出电压的波形。现说明它们的工作情况。输出电压的波形。现说明它们的工作情况。 设原来三相桥工作在整流状态，负载电流设原来三相桥工作在整流状态，负载电流id流经励磁绕组流经励磁绕组 而储存有一定的磁场能量。参看图而储存有一定的磁场能量。参看图17，在，在t2时刻控制角时刻控制角突突 然后退到然后退到120时，时，scr1接受触发脉冲而导通，这时接受触发脉冲而导通，这时uab虽然虽然 过零开始变负，但电感过零开始变负，但电感l上阻止电流上阻止电流id减小的感应电势减小的感应电势较大，较大， 使使el-uab仍为正，故仍为正，故scr1与与scr6仍在正向阳极电压下工作。仍

43、在正向阳极电压下工作。 这时电感线圈上的自感线圈上的自感电势这时电感线圈上的自感线圈上的自感电势l与电流与电流id的方向一的方向一 致，直流侧电压的瞬时值致，直流侧电压的瞬时值uab与电流与电流jd的方向相反，交流侧吸的方向相反，交流侧吸 收功率，将能量送回送流电网收功率，将能量送回送流电网参看图参看图17（）或图）或图19（）的）的 回路。回路。 到到t3时刻，对时刻，对c相的相的scr2输入触发脉冲，这时输入触发脉冲，这时uab虽然进虽然进 入负半调，但电感电势入负半调，但电感电势l仍足够大，可以维持仍足够大，可以维持scr1与与scr2的的 导通，继续向交流侧反馈能量。这样一直进行到电感

44、线圈原导通，继续向交流侧反馈能量。这样一直进行到电感线圈原 储存的能量释放完毕，逆变过程才结束。储存的能量释放完毕，逆变过程才结束。 图图18（）和（）和（b）分别为）分别为=150和和=180时输出电压时输出电压 的波形。这时逆变电压的波形。这时逆变电压ud的平均值的平均值ud负得更多。从这些波形负得更多。从这些波形 可以看到，六个桥臂上的可控硅元件，每个元件都是连续导可以看到，六个桥臂上的可控硅元件，每个元件都是连续导 电电120，每隔，每隔60有一个可控硅元件换流。每个元件在一周有一个可控硅元件换流。每个元件在一周 期内导电的角度固定的，与期内导电的角度固定的，与角的大小无关。角的大小无

45、关。 图图17 逆变工作状态（逆变工作状态（=120） 图图18=150及及=180时的逆变波形时的逆变波形 (a)电路图电路图; (b)相电压波形相电压波形; (a) =150(=30); (b) =150 (c)逆变电压波形逆变电压波形 (=0,假想情况假想情况); 在全控桥中常将在全控桥中常将=180-叫作逆变角。由于叫作逆变角。由于90才才 进入逆变状态，故逆变角进入逆变状态，故逆变角总是小于总是小于90的。可用下式表示三的。可用下式表示三 相全控桥在逆变工作状态时的反向直流平均电压，即相全控桥在逆变工作状态时的反向直流平均电压，即 u=-1.35u1cos(180-)=1.35u1c

46、os 利用三相全控整流桥可以兼作同步发电机的自动灭磁装置。当利用三相全控整流桥可以兼作同步发电机的自动灭磁装置。当 发电机发生内部故障时，继电保护装置给一控制信号至励磁调节器发电机发生内部故障时，继电保护装置给一控制信号至励磁调节器 ，使控制角，使控制角由小于由小于90的整流运行状态，突然后退到的整流运行状态，突然后退到大于大于90的的 某一个适当的角度，进入逆变运行状态，将发电机转子励磁绕组贮某一个适当的角度，进入逆变运行状态，将发电机转子励磁绕组贮 存的磁场能量迅速反馈到交流侧去，使发电机的定子电势讯速下降存的磁场能量迅速反馈到交流侧去，使发电机的定子电势讯速下降 ，这就是所谓逆变灭磁方式

47、。至于逆变性能的好坏还与主回路的接，这就是所谓逆变灭磁方式。至于逆变性能的好坏还与主回路的接 线方式有关，例如对于他励接线，逆变能迅速完成。性能较好；对线方式有关，例如对于他励接线，逆变能迅速完成。性能较好；对 于自并励接线，则逆变性能较差。于自并励接线，则逆变性能较差。 4异常情况下的波形分析异常情况下的波形分析 三相桥式整流电路在运行中由于各种原因，可以出现桥臂三相桥式整流电路在运行中由于各种原因，可以出现桥臂 断开、脉冲丢失、换相失败及续流不良等故障。下面分析这断开、脉冲丢失、换相失败及续流不良等故障。下面分析这 些异常情况下的整流电压波形，以便判别故障，采取适当的些异常情况下的整流电压

48、波形，以便判别故障，采取适当的 保护措施。保护措施。 1、桥臂断开或其脉冲丢失、桥臂断开或其脉冲丢失 运行中某一个或两个桥臂的元件损坏，或者作为过流保运行中某一个或两个桥臂的元件损坏，或者作为过流保 护的快速熔断器熔断，可使其桥臂呈现断开状态；或者由于护的快速熔断器熔断，可使其桥臂呈现断开状态；或者由于 触发控制回路的故障，出现触发脉冲的丢失，致使应当开通触发控制回路的故障，出现触发脉冲的丢失，致使应当开通 的某一个或两个桥臂元件不能开通，可控整流电路处于异常的某一个或两个桥臂元件不能开通，可控整流电路处于异常 工作状态。下面可分为五种类型来分析输出电压波形。工作状态。下面可分为五种类型来分析

49、输出电压波形。 1) 一臂断开或其脉冲丢失一臂断开或其脉冲丢失 现以图现以图20（a）为例，假定控制角）为例，假定控制角=60时，快速熔断时，快速熔断 器器krd1熔断，或因熔断，或因 桥臂元件桥臂元件scr1损坏而断路，或其正损坏而断路，或其正a相的触发脉冲消失，使桥臂相的触发脉冲消失，使桥臂 1处于开断状态，则此时输出的整流电压处于开断状态，则此时输出的整流电压ud如图如图20（b）所示）所示 。 在正常工作情况下，在在正常工作情况下，在t1时刻本应触发时刻本应触发scr1使输出电压转换使输出电压转换 为为a、b相间的线电压，现桥臂相间的线电压，现桥臂1不通，仍继续由桥臂不通，仍继续由桥臂

50、5与与6构成通路，构成通路， 电感性负载释放能量，电感性负载释放能量，ud按按ucb负半周的波形变化。负半周的波形变化。t2时桥臂元件时桥臂元件2 接受触发脉冲而导通，并关断桥臂元件接受触发脉冲而导通，并关断桥臂元件6。在。在t2至至t期间，由桥臂期间，由桥臂2 与与5构成直通短路，构成直通短路，ud 0。到。到t3时，触发桥臂时，触发桥臂3，关断桥臂，关断桥臂5，输出，输出 电压按电压按ubc变化。为简明起见，图变化。为简明起见，图20（b）中忽略了换流过程中引起）中忽略了换流过程中引起 电压降落的缺口。在这路异常情况下，整流桥输出电压的平均电压降落的缺口。在这路异常情况下，整流桥输出电压的

51、平均ud将将 只为正常情况下平均值的一半（若保持只为正常情况下平均值的一半（若保持=60时）。时）。 l r krd1 scr1 jl scr4 krd4 3 5 a b c 6 2 ( a ) 0 uduab t1 t 0 ud t o 120 uacubcubaucaucb t2t3 ( b ) 图图20 =60，一臂断开时，一臂断开时ud波形波形 图图21 =30，一臂断开时，一臂断开时ud波形波形 (a) 电路图；电路图； (b)输出电压输出电压ud波形波形 若共阳极组的某一桥臂发生上述故障，其结果也是相似若共阳极组的某一桥臂发生上述故障，其结果也是相似 的。的。 图图21是是=30时

52、，某一桥臂发生断开或脉冲丢失的时，某一桥臂发生断开或脉冲丢失的ud波波 形，可以看到一周内有形，可以看到一周内有120的区间使输出电压的区间使输出电压ud下降下降,这种情这种情 况下输出电压的平均值况下输出电压的平均值ud大约为正常情况大约为正常情况=30时的三分之时的三分之 二。该图将换流时引起的电压下降缺口也特意表示出来。二。该图将换流时引起的电压下降缺口也特意表示出来。 2) 同相的上下两臂断开或其脉冲丢失同相的上下两臂断开或其脉冲丢失 例如图例如图22（a）所示，共阴极组的）所示，共阴极组的a相与共阳极组的相与共阳极组的b相桥相桥 臂断开，或者正臂断开，或者正a相与负相与负b相的触发脉

53、冲丢（图中用涂黑的相的触发脉冲丢（图中用涂黑的 krd1与与krd6示意该两臂不能导通），则分别由它们构成通示意该两臂不能导通），则分别由它们构成通 路的有关线电压路的有关线电压ub、ub、ucb均无输出。表示均无输出。表示=60下发生下发生 这种故障时的这种故障时的ud波形，如图波形，如图22（b）所示的阴影线部分，由线）所示的阴影线部分，由线 电压电压ubc、ub、uc(包括包括uc负半周的负半周的60区间区间)所组成，这时所组成，这时 输出电压的平均值输出电压的平均值ud将下降到无故障时的三分之一。将下降到无故障时的三分之一。 t (b) uabacuubccbubauuca t (b)

54、 cbuubcucb a6a2a3a5a6 60 ucbubccbu 5a6aa32a a6 t (c) du du u d 5 26 3scd1 krd1 c b a scr4 krd4 jl krda r l (a) r 6 krd scr 6 42 (a) jl 3 a krd scd 1 1 b c 5 l 图图22 =60，不同相的两臂，不同相的两臂 图图23 同一相的两臂不能导通时同一相的两臂不能导通时ud波形波形 断开时断开时ud波形波形 (a)电路图；电路图； (b) =60下故障时下故障时ud波形波形 (a) 电路图；电路图； (b) 输出电压输出电压ud波形波形 (c) =

55、0下故障时下故障时ud波形波形 4) 同一组的两臂断开或其脉冲丢失同一组的两臂断开或其脉冲丢失 如果共阴组或者共阳极组的两臂不能导通，象图如果共阴组或者共阳极组的两臂不能导通，象图24中桥中桥 臂臂1与与3不能开通那样，这时只有不能开通那样，这时只有ucb及及uc的部分波形输出，图的部分波形输出，图 24（b）是）是=60下发生这种故障时的下发生这种故障时的ud波形。正常时在波形。正常时在t1 时刻触发时刻触发scr1应该开通桥臂应该开通桥臂1，现因故不能导通，在负载感应，现因故不能导通，在负载感应 电势的作用下，继续使桥臂元件电势的作用下，继续使桥臂元件5与与6开通，送出开通，送出ucb负半

56、周波负半周波 形，形，t2时触发时触发scr2由桥臂由桥臂2与与5续流，直至续流，直至t4时刻进还不能时刻进还不能 使使scr5关断，则在关断，则在t4处触通处触通scr4时，立即由桥臂时，立即由桥臂5与与4输出输出 uc电压；否则，电压；否则，t4时时scr5关断，则需等至关断，则需等至t5时触通时触通scr5， 才由桥臂才由桥臂4与与5构成通路，输出当时的构成通路，输出当时的uc电压。电压。 图24 =60，同一组的两臂 不能导通时ud波形 (a) 电路图； (b) 输出电压ud波形 图25 =30，b相脉冲 丢失时半控桥ud波形 上述这些异常情况下的波形分析，与实际拍照的示波图一致，上述

57、这些异常情况下的波形分析，与实际拍照的示波图一致， 至于负载电流则由于负载绕组的电感较大，电流波动较小。至于负载电流则由于负载绕组的电感较大，电流波动较小。 5 半导体励磁系统的保护半导体励磁系统的保护 半导体励磁系统有可能发生各种故障，事实上，由于保半导体励磁系统有可能发生各种故障，事实上，由于保 护措施的配置不善，使得故障扩大化。对于半导体励磁系统护措施的配置不善，使得故障扩大化。对于半导体励磁系统 的保护设计和配置问题应予重视。的保护设计和配置问题应予重视。 整流装置中的硅元件（硅整流元件及可控硅元件）是半整流装置中的硅元件（硅整流元件及可控硅元件）是半 导体励磁装置中的重要器件。为了保

58、证它们安全可靠地长期导体励磁装置中的重要器件。为了保证它们安全可靠地长期 运行，除了提高硅元件的产品质量，正确选择硅元件的参数，运行，除了提高硅元件的产品质量，正确选择硅元件的参数， 留有一定的裕度外，还必须在装置中适当地采用保护措施。留有一定的裕度外，还必须在装置中适当地采用保护措施。 因为硅元件承受过电压和过电流的能力较差，可控硅元件承因为硅元件承受过电压和过电流的能力较差，可控硅元件承 受正向电压上升率和电流上升率有一定的限度，转子励磁绕受正向电压上升率和电流上升率有一定的限度，转子励磁绕 组的绝缘只有一定的耐压水平。如不采取适当的保护和抑制组的绝缘只有一定的耐压水平。如不采取适当的保护

59、和抑制 措施，运行中就有可能超过容许范围，损坏半导体励磁系统措施，运行中就有可能超过容许范围，损坏半导体励磁系统 中的有关部件。中的有关部件。 为此必须熟悉硅元件本身的标准定额，了解装置所在的为此必须熟悉硅元件本身的标准定额，了解装置所在的 电路中引起过电压、过电流以及电压上升率、电流上升率过电路中引起过电压、过电流以及电压上升率、电流上升率过 高的原因和危害，对可控硅元件本身在开通和关断过程中，高的原因和危害，对可控硅元件本身在开通和关断过程中， 在电路中引起的暂态过程，需要进行分析和试验。而对于担在电路中引起的暂态过程，需要进行分析和试验。而对于担 任抑制和保护功能的器件，必须熟悉其性能参

60、数，并力求选任抑制和保护功能的器件，必须熟悉其性能参数，并力求选 用最简单有效的保护方式，协调工作。由于这方面的影响因用最简单有效的保护方式，协调工作。由于这方面的影响因 素比较复杂，必须将理论分析与试验数据结合，正确地设计素比较复杂，必须将理论分析与试验数据结合，正确地设计 保护方式和抑制电路，合理地配备和选用保护器件保护方式和抑制电路，合理地配备和选用保护器件。 1、过电压的来源及保护方式、过电压的来源及保护方式 加于可控硅元件上的瞬时反向电压，如果超过其非重复加于可控硅元件上的瞬时反向电压，如果超过其非重复 反向峰值电压，达到反向击穿电压，将造成可控硅元件的反反向峰值电压，达到反向击穿电